430TEU江海直达集装箱船电气设计探究

顾立君，唐文斌，杨 恩，宗 涛

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司，上海 200011)

0 引言

近年来，我国经济社会快速发展，对外贸易不断增长，对于我国内陆地区来说，特别是长江沿岸地区河流交错纵横，大部分货物运输需要通过传统河运与海运相互转换共同完成[1]。运输中存在一个中转点，货物需要重复装卸，造成人力、物力、周期等浪费，极大地降低了货物运输的效率，增加了危险性[2]。为改善这一状况及促进长江流域集装箱船的航运发展，减少装载周期，提高经济效益，降低运输成本，有效节能减排，需要推进绿色生态江海直达船舶的发展[3]。

江海直达船舶的航行特点为同时航行于内河和海上，国内外一般分为“海进江”和“江出海”两种运输模式。目前，我国的江海直达船舶运输方式为“海进江”[4]。其中，集装箱运量在长三角地区对陆运依赖度较高，数据显示通过船运的集装箱数量较低。随着长江经济地带坚持绿色生态的发展原则，未来对运输方式的调整势在必行，将以节能环保为主，货物的适箱率将显著提高，江海直达船舶的运输方式将获得更有利的发展。

基于上述背景，中国船舶科学研究中心根据船东的需求，结合国家长江经济带战略及长江大保护的政策，研发设计了一型430TEU江海直达集装箱船。以下将根据江海直达特定法规和规范，开展该船电气系统详细设计工作，通过优化系统配置和设备布置获得合理的设计方案。

1 船型介绍

该船为航行于长江流域，航线从南京港至上海洋山港，由柴油机驱动的集装箱船。主要尺度和要素如表1所示，船型效果如图1所示。

图1 船型效果

表1 船舶主尺度和要素

2 配电系统

船舶配电系统的优劣直接关系电站供电的稳定性、可靠性、安全性、经济性等，因此必须通过合理的设备配置，提升电站运行的稳定性、改善电网的电能质量、增强配电的管理能力，使船舶达到节能降耗的目的。

2.1 电制

该船主电源采用AC400 V/50 Hz；配电及电力系统采用AC380 V/50 Hz；照明、通信及导航系统采用AC220 V/50 Hz；低压系统采用DC24 V。线制为三相三线绝缘系统或双线绝缘系统。

2.2 电站

按中国船级社《特定航线江海直达船舶建造规范》[5]的要求，主电源装置应至少为二台发电机组，以保证一台发电机组失效时，另一台发电机组仍能对船舶推进、船舶安全所必需的设备供电。同时，最低舒适居住条件也应得到保证，至少应包括适当的炊事、取暖、食品冷冻、机械通风、卫生和淡水等设备的供电。此外，发电机组的容量应满足启动最大电动机时不会引起其他任何电动机停转或对其他正常运行的设备带来任何不利影响。同时，本船按需求配有48个长6 058 mm、宽2 438 mm、高2 591 mm(20英尺)或24个长12 032 mm、宽2 352 mm、高2 393 mm(40英尺)冷藏集装箱，发电机组需在进出港及航行工况下保证这些负载的正常供电。因此，本船电站的设计需考虑以下因素。

(1)根据船级社法规和规范要求，结合设计任务书要求，考虑本船运行工况，对相应的负载需求进行统计，如表2所示。

表2 船舶运行工况及负载需求

(2)通过对本船运行工况用电负荷进行计算确定柴油发电机组容量和台数，计算方法依据《船舶设计实用手册 电气分册》[6]，本船各运行工况电力负荷计算如表3所示。

表3 电力负荷计算

(3)结合以上两点，可以配置3台柴油发电机组和1台应急柴油发电机组作为船舶电站，柴油发电机选型：柴油发电机组为180 kW × 3台，应急发电机组为64 kW × 1台。

本船发电机组配置方案的优点在于满足船舶航行安全和人身安全条件下，根据船舶运行工况特点(大部分时间运行在装有冷藏箱的航行工况下)，发电机组利用率为85%，拥有一定负载调节余量的同时保持较好经济性，并且配有备用发电机，便于发电机组的维护保养。

2.3 配电

按电站配置的发电机组和重要设备的供电需求设计电力系统基本馈线，如图2所示。电力系统基本馈线图是开展电力一次系统设计的基础，电力一次系统由主配电板、应急配电板和充放电板构成。主配电板由发电机屏、同步屏、组合启动屏、AC380 V负载屏和AC220 V负载屏等构成，应急配电板由应急发电机屏、AC380 V负载屏和AC220 V负载屏等构成，充放电板对全船低压设备进行供电，并配置蓄电池组。

图2 电力系统基本馈线

本船设有自动电站管理功能(PMS)。该系统配置采用基于PLC控制的自动化系统，使电站更加合理和精确地完成发电、配电及供电，具有提升船舶电站安全、可靠和节能等特点，同时降低船员工作负荷以及燃油消耗。自动电站管理功能如图3所示，具体包括实现以下10项功能。

图3 自动电站管理功能

(1)船级社对自动化船舶的有关规定是船舶电网失电应在45 s内恢复供电,所以自动化电站停车状态下的备用机组应事先做好准备工作，关键的准备工作包括发电柴油机的预热和预润滑。

(2)当电网负荷增加使运行机组重载、运行机组发生机电故障和某机组起动失败或不能合闸时,电站管理系统能自动地发出起动指令使备用机组迅速自动起动,在起动成功建立稳压后投入电网供电。

(3)通过采集电压、频率的基本参数,经过一定的计算发出调频及合闸指令,使待并机与电网上的机组并联运行。

(4)两台机组并联运行供电时,通过原动机调速器和自动调频调载装置配合工作,使电网维持在稳定频率,且使并联运行机组按容量成比例地承担负载。

(5)在完全满足船舶电站供电质量的前提下,使机组以最经济的管理模式运行,充分利用每台机组的功率,降低发电成本。

(6)本船设置的大功率负荷为大于15 kW，管理系统将判断电网负荷与起动的大功率负荷是否超过运行机组的最大允许负荷率。若满足,则允许其启动；否则,应先起动另一台备用发电机使之并网,然后允许其起动。

(7)设有自动分级卸载功能，确保重要设备连续供电,在过载的情况时将非重要负载自动切断。

(8)轻载或故障需要停机时,并网运行机组先自动转移负载,再按顺序使运行机组逐台退出电网,然后停车。

(9)设有过载、短路、欠压和逆功率保护,还设有欠频保护、高压保护、次要负荷的分级卸载等,进一步提高供电质量和电网的连续供电。

(10)设有人机界面，可以在本地屏幕上对电站运行状态进行显示和故障监视，同时支持参数的监视与在线修改。

3 照明系统

该船照明选用LED灯具，具有安全、节能、环保、使用寿命长等优点。

照明系统分为正常照明系统和应急照明系统，其中，应急照明系统又分为普通应急照明和临时应急照明。

(1)正常照明系统由主配电板AC200 V负载屏供电。

(2)普通应急照明系统由应急配电板AC200 V负载屏供电。

(3)临时应急照明系统由充放电板DC24 V供电，符合中国船级社《特定航线江海直达船舶建造规范》中8.1.4.2的供电范围和供电时间不小于0.5 h的要求。

4 无线电通信导航系统

4.1 无线电通信

船舶无线电通信是船舶利用无线电波进行远程即时信息交流和信息传递，为船舶航行和船员提供安全保障。该船按中华人民共和国海事局《特定航线江海直达船舶法定检验技术规则》中9.2.1的要求[7]，无线电通信设备由2套电源供电：一套为船舶主电源，由AC220 V无线电分电箱供电；另一套为应急电源，由DC24 V无线电低压分电箱供电，配备独立的蓄电池作为备用电源，该备用电源供电时间不少于1 h。无线电通信设备配置如表4所示。

表4 无线电通信设备配置

4.2 导航设备

导航系统的使命是保障船舶在航行过程中能准确快速引导船舶按预定的航线到达目的地。该船按中华人民共和国海事局《特定航线江海直达船舶法定检验技术规则》中9.3.1的要求，AIS设备按A级配备，电子海图设备ECS按A级配备，雷达设备根据船东需求配置2套X波段雷达，配有电子标会装置及自动跟踪仪，显示器尺寸为宽42 cm、高23.6 cm(19英寸)。航行设备配置如表5所示。

表5 航行设备配置

4.3 天线布置

为达到最佳的通信效果，各天线之间的安装距离须满足一定要求，避免相互之间干扰[8]。该船通导设备天线较多，罗经甲板空间较小，在设计布置中为减少和避免各设备天线之间的干扰，需要将雷达桅布置在罗经甲板的最尾部，尽量使雷达等天线避开对磁罗经防磁区域的影响，在设计和建造中需要特别注意。天线布置方案如图4所示。

图4 天线布置

5 船内通信及报警系统

为满足船员在工作和生活中相互沟通和联络的需求，该船设计的时候配备一套完善、便利的船内通信系统，同时为保证船舶准确驾驶和安全航行配备必要的报警装置。该主要配置包括声力电话、对讲广播及通用报警、CO2释放报警、机舱报警灯柱、水密门报警、轮机员安全报警、综合报警、火警等系统。其中，广播系统兼用通用报警系统的补充设计，采用功率为100 W×2的双路放大器，并且每路放大器采用双电源供电，扬声器采用双路交叉布置，在机舱利用报警灯柱。另外，本船配置了货舱烟雾探测系统以满足中华人民共和国海事局《特定航线江海直达船舶法定检验技术规则》要求。

6 设备布置的原则

该船电气设备的布置特别考虑了安全性和便利性，采用了紧凑的集中布置方式，并且相关系统的设备尽量布置在一起便于维修和管理。在满足使用要求的前提下尽量节约空间，小型的设备采用垂向上的上下布置，以便提高空间利用率。通过设备布置及电缆敷设路径的优化，在节省电缆使用量的同时减少电缆托架等铁舾件的使用量，既达到了美观造船的效果，又降低了空船重量，节省了成本。

7 结语

(1)电气系统配置合理，电站设计满足目标船的各种使用工况。无线电导航等系统以满足江海直达特定规范和法规为条件，充分考虑设备的适用性和经济性，节约建造成本。

(2)电气设备布置合理，充分利用空间将通信导航设备的天线布置在罗经甲板上，避免信号相互干扰，提升目标船的航行和通信性能。

上述电气设计通过合理系统配置和设备布置，提升了船舶的经济性、安全性、节能性。未来，江海直达作为一种便捷高效、绿色经济、节能环保的运输方式，将得到更广泛的运用发展。本文以430TEU江海直达集装箱船电气设计建造为依托，对电气系统的设计进行了介绍，为后续同类船型的电气专业设计提供一定的借鉴。